拉普拉斯變換

布羅姆維奇積分

/ BROM-witch /

倒著讀變換表很方便,但那不是定義——那是識別。布羅姆維奇積分是拉普拉斯逆變換誠實而構造性的定義:一個單一的積分公式,對任意變換(而不只是恰好出現在表裡的那些)從 F(s) 還原出 f(t)。

公式是複平面上的一個圍道積分:f(t) = (1/(2 pi i)) 沿豎直線 Re s = c 的 e^{s t} F(s) ds 的積分,其中這條線——布羅姆維奇圍道——是一條放在 F(s) 所有奇點右側的豎直線,也就是在收斂域之內。你沿這條線從 c - i 無窮積到 c + i 無窮。這正是拉普拉斯定義積分的精確逆,有時也稱傅立葉-梅林(Fourier-Mellin)或梅林反演公式。

實踐中你很少真的沿這條線直接積分。取而代之,你用一段向左的大圓弧把圍道閉合,再用留數定理:積分等於 e^{s t} F(s) 在該線左側 F(s) 所有極點處留數之和。每個位於 s = a 的簡單極點貢獻一項正比於 e^{a t} 的項,這正是為什麼有理 F(s) 的逆變換是指數之和——部分分式不過是喬裝的留數。布羅姆維奇積分是從工程師的表通向真正複分析的橋樑,也是它讓逆變換即便在沒有合適表項時仍然良定。

對 F(s) = 1/(s - a),唯一的極點在 s = a;e^{s t}/(s - a) 在那裡的留數是 e^{a t},所以布羅姆維奇積分給出 f(t) = e^{a t}——與表相符。

單個留數重現了最簡單的變換對,表明部分分式與留數是同一套計算。

向左閉合圍道僅在 F(s) 於大圓弧上衰減(約當引理)且 t > 0 時才成立;對 t < 0 你必須向右閉合,那裡沒有極點,從而還原出因果事實:t = 0 之前 f(t) = 0。

又稱
Bromwich contour integralMellin inversion formulaFourier-Mellin integral反演积分反演積分